（交通信息工程及控制专业论文）垂直腔面发射半导体激光器的研究.pdf

西南交通大学博士学位论文 ab s t ract 份 r、 t h i s w o r k i s a i m e d t o s t u d y v e rt i c a l c a v i t y s u r f a c e e m i tt i n g l a s e r s ( v c s e l s ) . s t a rt i n g fr o m ma x w e l l e q u a t i o n s , t h e s t r u c t u r e o f q u a n t u m w e l l a n d m i c r o c a v i t y e ff e c t a r e u s e d t o o b t a i n r a t e e q u a t i o n s f o r v c s e l s . u s i n g a m e t h o d f o r f i n d i n g a n a l y t i c r e s o l u t i o n o f t h i s r a t e e q u a t i o n s , w e h a v e g o t t h e re l a t i o n o f t h r e s h o l d c u r r e n t , o p t im u m w e l l n u m b e r s , o u t p u t p o w e r , c a r r i e r d e n s it y , l o n g i t u d i n a l m o d e fr e q u e n c y , l o n g it u d i n a l m o d e s p a c i n g , t r a n s v e r s e m o d e fr e q u e n c y , t r a n s v e r s e m o d e s p a c i n g , t u rn o n d e l a y , r e l a x a t i o n o s c i l l a t i o n s a n d m o d u l a t i o n r e s p o n s e o n v a r i o u s d e v i c e p a r a m e t e r s o f v c s e l s . t h e r e a r e t h r e e w a y s t o r e d u c e t h e t h r e s h o l d c u r r e n t o f v c s e l s : u s e s q u a n t u m w e l l m a t e r i a l a s t h e a c t i v e m e d i u m t o p r o v i d e m i c r o - c a v i t y s s t r u c t u r e , u s e s m u l t i l a y e r m e d i u m a s t h e f a c e t s t o i n c r e a s e s t h e r e fl e c t i v i t y , i m p r o v e s e p i t a x y t e c h n i q u e t o r e d u c e l o s s . a n a l y t i c r e s o l u t i o n o f r a t e e q u a t i o n s f o r n o n r a d i a t i v e d e p o p u l a t i o n a n d s p o n t a n e o u s e m i s s i o n i s d e r i v e d . i t i s s h o w n t h a t v c s e l s h a v e l a r g e l o n g i t u d i n a l m o d e s p a c i n g a n d h i g h s u p p re s s i o n r a t i o o f n e i g h b o r i n g l o n g it u d i n a l m o d e c o m p a re d t o e d g e - e m i tt i n g s e m i c o n d u c t o r l a s e r s . l o n g i t u d in a l m o d e d i s t r i b u t i o n i s e ff e c t e d b y t h e s t r u c t u r e o f d e v i c e , t e m p e r a t u r e , s p o n t a n e o u s e m i s s i o n f a c t o r , g a i n c h a r a c t e r i s t i c s a n d s o o n . i n o r d e r t o r e d u c e t h e m o d u l a t i o n d i s t o rt i o n , i t i s u s u a l l y i n c r e a s e s t h e d e v i c e c u r r e n t t o d e c r e a s e s t h e d e l a y t i m e . i n t h i s m o d e l , t h e f r e q u e n c i e s o f r e l a x a t i o n o s c i l l a t i o n s i n c r e a s e s w i t h a n i n c r e a s e i n t h e p h o t o n d e n s i t y a n d d i ff e r e n t i a l g a i n , w i t h a o p t i m u m c a v i t y l e n g t h , a n d d e c r e a s e c a r r i e r d e n s i t y . i t i s b e l ie v e d t h a t s p o n t a n e o u s e m i s s i o n f a c t o r p l a y s a n i m p o rt a n t r o l e i n d e t e r m i n i n g t h e i n t e n s i t y o f r e l a x a t i o n o s c i l l a t i o n s . t h e v c s e l s e x h i b i t a h i g h e r d i f f e r e n t i a l g a i n a n d a s m a l l e r v o l u m e o f t h e a c t i v e m e d iu m , a l l o f t h e d e v i c e p e r f o r m a n c e i s i m p r o v e d . t h i s l e a d s i n c r e as e s t h e f r e q u e n c i e s o f r e l a x a t i o n o s c i l l a t i o n s , t h u s i n c r e a s e s t h e m o d u l a t i o n b a n d w i d t h . k e y w o r d s : v e rt i c a l c a v i t y s u r f a c e e m it t i n g l a s e r s ( v c s e l s ) , r a t e e q u a t i o n s , s t e a d y - s t a t e c h a r a c t e r i s t ic s , d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s 丫 编号: 2 0 0 1 1 3 科 技 项 目 查 新 报 告 项目名称:垂直腔面发射半导体激光器的研究 委 托 人:张 晓 霞 ( 西 南 交 通 大 学 计 算机 学 院) 查新单位 : 高等学校科技项目咨询 及成果查新中心工作站 认证单位:( 盖章) _了 万 全 、 、 尸 州日 飞嘴 比 七 尸 沪 夕 认证时间:2 0 0 1年 3月 2 查新类别:开题口、成果口、专利口、新产品口、 博士论文回 课题特点: 1 、 针对垂直腔面发 射激光器 ( v c s f l s ) 有源区量子 阱结构的特点，首次从理论土导出了增益系数 随注入载流子浓度呈对数的变化关系。引入微腔效应。建立了 适用于 v c s e l ，的 速率方程。2 、运用 m a t l a 6软件中 s i m u l in k可视化仿真系统对理论模型进行模拟仿真. 3 、在同时 考虑自 发辐射效应和 非辐射 衰减速率的 影响下，得到了 载流子 浓度和光子 密度与 v c s e l s结构特征参数 之间的严格解析解。 仿真结果表明了自 发辐射增强效应。4 .基于 v c s e l s的速率方程，深入研究了降低激射闻值的三个基 本途径。对于 确定的偏置，预言了 存在最佳阱数使问值电 流密度达到极小值。 5 . 得到v c s e i . s 纵模间 距为普通激光器的几十倍，边模抑制比较普通激光器提高了 2 3个数量级的定量结果.6 、运用增益 与载流子浓度的对数关系，研究了提高弛豫振荡频率、增加调制带宽的方法. 查新范围: 省 内 口、国 内 9 、国 外d 检索手段: 手 检0 、机 检 s 、光 盘 s 检索时间范围: 1 9 9 0 年 至 2 0 0 1年 检索主题词 ( 或关键词) 、 分类号: 垂直腔面发射 半导体激光器速率方程量子阱 v e r t i c a l c a v i t y s u r f a c e e m i tt i n g l a s e r s ( v c s e l s ) r a t e e q u a t i o n q u a n t u m - w e l l 中图法分类号: t n 2 4 8 检索范围: i 、美国工 程索引 ( e i )( 光盘)1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 1 2 2 、中国学术期刊全文数据库1 9 9 6 - 2 0 0 1 . 1 3 、中文 科技期刊篇名数据库 ( 光盘)1 9 8 9 - - 2 0 0 0 . 1 2 4 、全国报刊索引 ( 自 然科学技术版)1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 1 0 5 、 英国科学文 摘 ( i n s p e c ) 1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 1 2 6 . c a l is学位论文库1 9 9 0 - 2 0 0 1 . 1 7 、电子科技文摘1 9 9 0 - 2 0 0 0 .6 8 、光电子 激光1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 6 今 光子学 报1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 6 1 0 、光学学报1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 4 1 1 . s e m i c o n d u c t o r s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y 1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 1 2 1 2 . j o u rn a l o f p h y s i c s d : a p p l i e d p h y s i c s 1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 1 0 1 3 . j o u m a l o f l i g h t w a v e t e c h n o l o g y 1 9 4 0 - 2 0 0 0 . 1 0 1 4 . i e e e j o u r n a l o f q u a n t u m e l e c t r o n i c s 1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 1 0 相 关 文 检索结果 文献篇名和来源 ( 著者、刊名或专利、卷、期、页、 年) i . p o l a r i z a t io n - d e p e n d e n t g a i n s a t u r a t i o n s i n q u a n tu m - w e l l t a s e r s , y . t a k a h a s h i h . k a w a g u c h i, i e e e j o u rna l o f q u a n t u m e le c t r o n i c s , 2 0 0 0 ,3 仅7 ) 8 6 4 - 7 1 2 , r o o m te m p e r a tu r e c o n t i n u o u s wa v e i n g a a s n q u a n t u m w e l l v e rt i c a l - c a v i t y l a s e r s e m i tt i n g a t 1 . 3 mu m . k . d . c h o q u e tt e , j . f . k ie m ,e ie c t r o n i e s l e t t e r s , 2 0 0 0 , 3 6 汇 i 印1 3 8 8 - 1 3 9 0 3 . ro o m t e m p e r a tu r e l o w - t h r e s h o l d c w o p e ra t i o n o f 1 .2 3 m u m g a a s s b vc s e l s o n g a a s s u b s t r a t e s , m. y a m a d a, t . an a n , k. k u r i h a r a , e l e c t r o n ic s l e tt e r s , 2 0 0 0 , 3 6 ( 7 ) 6 3 7 . 6 3 8 4 . ul tr a l o w - t h r e s h o ld c r y o g e n i c v e rt ic a l- c a v i ty s u r fa c e - e mi tt i n g l a s e r, z . z o o d. l . h u ff a k e r , d. g de p p e ,i e e e p h o to n ic s t e c h n o l o g y l e tt e r s ,2 0 0 0 , 1 2 ( 1 ) 卜 3 5 . o u t p u t a n d t r a n s i e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f v e r t i c a l c a v i t y s u r f a c e e m i t t i n g l a s e r s 献 或 参 考 文 x . z h a n g , w . p a n , b . l a o , h . l u , j . c h e n , s p i e , 2 0 0 0 ( 4 2 2 5 ) 2 3 7 - 2 4 0 6 、用直接模拟法分析多量子阱半导体激光器瞬态响应， 张晓成,潘炜罗斌，吕鸿昌.陈 建国， 光子学报.2 0 0 0 ( 7 ) 6 5 1 - 6 5 3 7 ,考虑增益饱和及载流子复合效应优化设计多量子阱激光器，张晓趁,潘炜，罗斌。吕 鸿昌，陈建国, 铁道学报，2 0 0 0 ( l ) 立 1 0 - 王 1 3 8 , no n l in e a r d y n a m i c s o f v e rt i c a l - c a v it y s u r f a c e - e mit t in g l a s e r s . s . f . y u . ie e e 1 . q u a n t . e l e c t r ., 1 9 9 9 ( 3 ) 3 3 2 - 3 4 1 9 , me a s u r e m e n t o f d iff e re n t i a l c a r r i e r l i fe t i m e in v e rt i c a l - c a v i ty s u r fa c e - e mi tt i n g la s e r s , g . e . g i u d ic e d. v . k u k se n k o v ,i e e e p h o t o n ic s t e c h n o l o g y l e tt e r s , 1 9 9 8 , 1 0 ( 7 ) 9 2 0 .9 2 2 1 0, mo d u l a t i o n o f a v e rt ic a l- c a v it y s u r f a c e - e m i tt in g l a s e r u s in g a n i n t r a c a v i ty q u a n t u m - c e l l a b s o r b e r, s . f . l im, j . a. h u d g i n g s , i e e e p h o t o n ic s t e c h n o l o g y l e t t e rs , 1 9 9 8 , 1 0 ( 3 ) 3 1 9 - 3 2 1 工 i ,垂直腔面发射激光器热特性的实验研究，潘钟，林世鸣，光子学报，工 9 9 2 ( 6 ) 5 5 2 - 5 2 6 - 1 2 , ov e r 1 0 - g b l s t r a n s mis s i o n e x p e r ime n t u s in g a p - t y p e d e lt a - d o p e d i n g a a s - g a a s q u a n t u m - w e l l v e rt ic a l -c a v i ty s u r f a c e - e mitt in g la s e r , n, ha t o r i , a. mi z u t a n i , n. nis h iy a ma , e e e p h o t o n ic s t e c h n o l o g y l e tt e r s , 1 9 9 8 , 1 仪2 ) 1 9 4 - 1 9 6 1 3 . o b s e r v a ti o n o f b i s t a b il it y i n g a as q u a n t u m - w e ll v e rt i c a l - c a v i ty s u r f a c e - e mit t in g l a s e r s , t a n g xu e f e i, v a n d e r z ie l a n p . , c h a n g b i n g , i e e e j o u rna l o f q u a n t u m e l e c t r o n i c s , 1 9 9 7 , 3 3 6 ) 9 2 7 9 3 2 1 4 , t h e o r e t i c a l a n a ly s i s o f mo d u l a ti o n r e s p o n s e a n d s e c o n d - o rd e r h a r m o n ic d is to rtio n in v e rt i c a l - c a v i ty s u r f a c e - e mit t in g l a s e r s s h u m . s . v u , w. n. s g o n g , p . . i e e e j o u rna l o f qu a n tu m e l e c t r o n i c s 1 9 9 6 , 3 2 (1 2 ) 2 1 3 9 -2 1 4 7 1 5 , d y n a mic p r o p e rt i e s a n d s t a b il i ty a n a l y s is fo r v e rt i c a l - c a v i t y s u r f a c e - e mit t in g i a s e r s .z h a n g j i a n - p in g , i e e e j o u rna l o f q u a n tu m e l e c t r o n i c s , 1 9 9 5 . 3 1 (1 2 ) 2 1 2 7 - 2 1 3 2 1 6 , u lt r a h i g h fr e q u e n c y o s c il l a t i o n s a n d m u l t im o d e d y n a m ic s i n v e rt ic a l c a v it y s u r fa c e e m i t ti n g l a s e r s , 0. b u c c a fu s e a , j . l . a . c h i l l a , j . j . r o c c a , a p p l ie d p h y s ic s l e t t e r s , 1 9 9 5 , 6 7 ( 2 ) 1 8 5 - 1 8 7 献 查 新 结 论( 包含相关文献对比分析) 根据本论文特点， 选择确定了 上述检索范围 及检索词，共查出 相关文献 1 6篇，与本 论文特点相比 较归 纳入下: 近年来国外关于v c s e l s 的研究十分活跃。 文献 i 从理论上分析了增益饱和引起的半 导体量子阱激光器双稳态现象。文献2 . 3分别报道了 长波长 氮化 物 i n g a a s n 和 g a a s b 量子阱v c s e l ， 实现室 温连续波运行。文献4 报道了7 7 k低温下v c s e l s 可以 获得极低 a值电流。 文献5 , 6 . 7 是本课题的部 分工 作、 报道了 根据对数增益得到最佳阱数、阐值 电 流密度和 v c s e l s 结构特征参 数之间的关系， 用 s i m u l in k系统对瞬态过程进行模拟仿 真。文献8 报道了直接电流调制和外光反馈下有源区的大小对 v c s e l s 瞬态响 应的影响. 文献 9 报道从实验上测量 v c s e l s 的微分载流子寿命。 文献 1 0 报道运用内 腔量子阱吸收 体实现 v c s e l s 高频直接电流调制。文献 1 1 报道 v c s e l s 热特性的实验研究。文 献 1 2 研究了运用 p 型掺杂 i n g a a s - g a a s 量子阱v c s e l s 实现超过 1 o g b l s 传输速率。 文献 1 3 报道了在量子阱 v c s e l s 中观察到两种不同 类型 的双稳态。文献 1 4 运用速率 方程从理论 上分析了 有源区的大小对 v c s e l s 调 制幅 度和二次谐波畸变的影响。 文献 1 5 研究了 动态 特性和激射波长随微分增益和线宽因子的变 化关系。文献 1 6报道了光增益开关 v c s e l s 实现超过极高频率振荡。 上述文献 2 , 3 . 4 , 9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 . 1 3 , 1 5 . 1 6从实验上对 v c s e l s的长 波长、极 低温度、 极高频率及一 些新特性进行了观察 和测量。文献 1 . 8 . 1 4从理论上分 析了增益 饱和对 v c s e l s 双稳态的影响和有源区的大小对 v c s e l s瞬态响应的影响。 本论文针对 垂直腔面发 射激光器 ( v c s e l s ) 有源区量子阱结构的 特点，从理论上导出了增益系数随 注入载流子浓度呈对数的 变化关系。引入 微腔效 应，建立了适用于 v c s e l : 的速率 方程: 运用 m a t l a b软件中s i m u l i n k 可视化仿真系 统对 理论模型进行模拟仿真: 在同时考虑自 发辐射效应和非 辐射衰减速率的影响下， 得到了 载流子浓度和光子密度与 v c s e l s结构 特征参数之间的 严格解析解。 仿真结果表明了自 发辐射增强效应:基于 v c s e l s的速率 方程，深入研究了 降低激射阅值的三个 基本 途径。 对于确定的偏置， 预言了 存在最佳阱数 使阐值电流密度达到极小值: 得到 v c s e l s 纵模间距为普通激光器的 儿十倍，边模抑制 比较普通激光器提高了2 - 3个数量级定量结 果:运用增益与载流子浓度的 对数关系， 研 究了 提高弛豫振荡频率、增加调制带宽的方法。与本论文特点相比 较， 除文献 5 ， 6 , 7 为本论文的部分研究结果，其有相同的特点外，其它相关文献均与本课题的特点不同。 在 上 述 检 索 范 围 及 检 索 到 的 文 献 中 ， 未 见 到 与 本 论 文 相 同 的 文 献 担 伫卜 查新人员 可 讼 、 嗜 饭 才 洛 平 鸽1 ，扩入认星 久矛、 分 、 入 一缺 查 新 咨 询 删-4 7 扩入于 、寿 飞 审 核 者 fit r in 时间 ， 、 年 ， 月 : 日 k, 郁竺愁 犷 之 盘 蓬 乞 声 ilk 术、了寻 考 西南交通大学博士学位论文 第一章绪论 1 . 1 引言 垂直腔面发射半导体激光器( v c s e l s ) 具有闽 值电 流低! 1 -2 1 ， 动态单纵 模 工作 3 1 ， 可以 形 成 二 维 面 阵 3 -6 1 ， 易 于 得到圆 对 称出 射 光 束 (3 , 7 1 ， 光纤 祸 合 效 率高 18 1 ， 调 制 速 率 高 9 1 ， 阵 列 可 寻 址 p 0 及与 其 他 器 件 兼 容 性 好 等 优 点 ， 是 中 短距离 光 通 信的 理 想 光 源 1 1 ， 无论 是单元 器 件还 是集 成 化方 面 来说， 都 是当 前半导 体 光电 子 器 件中 极受注目 的前沿课 题 1 2 1 ， 特别是随 着工艺 水平 的 进一步提高， 器件的 工作尺寸可以 达到与其发射波长相比 拟的 程度， 这将 导 致一 系 列 涉 及 光 学 微 腔 的 新 物理 效 应和新 器 件出 现 1 13 - 1 7 1 . 近 年 来 研 究 进 展 迅 速， 前景 美 好 ， ” 。 本 章 对 v c s e l s 的发展和前 景作一综 合性评述。 在简 要回 顾一般半导体激光器发展过程的 基础上， 较详细地叙述了v c s e l s 二十 年来的进展， 现状和发展趋势.最后概述本文的主要工作和研究结果。 1 . 2 半导 体激 光器的 发展简史 半导体激光器是发展光电子应用系统的基础， 也是促进应用系统不断更 新换代的推动力。1 9 6 2年半导体激光器问世，七十年代初，室温连续工作 半 导体激 光器的 突破， 导 致信息光电 子技术的 起飞 1 9 .由 于 信息传输 ( 光 通信， 计算机光互联) 、 信息处理 ( 光计算， 光交换)、 信息获取 ( 光学传 感器，光纤传感)、信息存贮 ( 光盘，全息存贮)、信息显示 ( 激光打印， 大屏幕显示) 等应用方面的需要， 经过3 0 多年的研究、开拓，半导体激光 器从波长的覆盖范围 ( 从红外至蓝绿光)、 输出功率的水平 ( 从、 w到 l o w 量级)、器件结构的优化 ( 从同质结到异质结到量子阱结构)、 制作技术的 改进 ( 经历了由扩散法到液相外延法，直到今天的分子束外延法)、闭值电 西南交通大学博士学位论文 流的降低 ( 由 几百m a降到几十m a ， 直到亚m a ) 以 及可靠性的提高 ( 寿命 由几百小时到几万小时， 乃至百万小时) 等等， 各方面都取得了许多重大的 突破2 0 -2 9 1 。 半导 体激光 器的 研究发 展极为 迅 速， 粗略地看， 在这3 0 多 年中 大约每 1 0 年就出现一次高潮， 产生一个重大的进展，其中有代表性的进展 是研制成功了 双异质结构激光器 ( d h l )， 量子阱激光器 ( q w- ) 和面发 射激光器 ( s e l )。 第一只半导体激光器就是用扩散技术制备的同 质结激光器 1 9 1 ， 这种激 光器有源区的厚度为电 子扩散长度量级， 即 微米量级， 因此， 要实现反转分 布需要注入足够的电 子或空穴， 以 填充导带底和价带顶， 使之满足反转分布 的 受 激条 件， 这 就 使它 的 阐 值电 流 密 度高 达1 0 ， 一 1 0 6 刁 。 扩。 即 便 在小 型 化 的器件中， 阐值电流也要达到几十安培的高电平. 早期的这种半导体激光器 还有许多重大的缺点。 例如， 由 温度效应导致的注入载流子的弥散降低了注 入电 流的 利 用效 率 和具 有灵 敏的 温 度 退 化 效 应 等 3 0 ,3 1 1 . 尽 管 后 来 用 液 相外 延 技 术 制备的p - n 结， 使 结 的 突 变 性 有 所 改 善， 但 这类 激光 器 仍 无 法实 现 在 室 温下连续波运行， 只能 在脉冲状态下工作， 它大大限 制了 半导体激光器的应 用发展， 人们曾经对它失望过。 同质结激光器运行电流高的主要原因是: 缺 乏载流子限制、缺乏波导作用。1 9 6 2年k r o e m e r 提出异质结的设想。经历 了近十年的徘徊与探索，1 9 6 9 年a l f e r o v 实现了 双异质结激光器室温运行， 因为异质结具备载流子限制和波导作用， 从而使半导体激光器步入了 一个新 的阶段，成为人们重新关 注的 热点。 k r o e m e r 和a l f e r o v 也因此获得了2 0 0 0 年的诺贝尔物理奖。 6 0年代末，液相外延技术的成功，导致异质结构材料工程的发展，出 现了a l g a a s / g a a s 双 异 质结 构 激 光 器 3 0 , 3 11 。 它的 结 构 特点 是， 在p 型 和n 型材料之间生长了 大约0 .2 p m 厚的、 不掺杂的、 具有较窄能隙材料的一个薄 层，因此，注入的载流子被限制在该区域内 ( 有源区)，因而注入较少的电 西南交通大学博士学位论文 流就可以 实 现载流子数反转。 除此之外， 由 于有源区材料的折射率较高， 形 成了很好的光波导， 增强了光电的祸合效率。 由于引入了对注入载流子和光 场定域的限 制， 大大地提高了器件的运行效率， 降低了阐值电流， 实现了人 们追求的室温连续波运行的目 标， 这才为半导体激光器的应用与发展打开了 局面。 量子阱 激光器的出 现， 是半导体激光器 8 0年代最重要的 进展之一13 2 1 随着分子束外延 ( m b e ) ， 金属有机物化学汽相淀积 ( m o c v d ) 和化学束 外延 ( c b e ) 技术的发展， 人们能够在原子尺寸范围内 随意地控制和改变材 料的 组分、 掺杂和器件的层状结构， 生长出具有量子化尺寸 的微结构， 量子 尺寸效应使材 料的能量 状态发生了 奇异的 变化， 诸如态密度的减小和阶梯状 分布所引 发的 增益谱的 优化，吸收边向 短波方向的蓝移导致内 损耗的降低 等，使半导体激光器的效率进一步提高，阐值电流密度大大降低( 约 5 0 刁。 ， ， ) ， 输出 功 率 大 幅 度 增加， 响 应 速 度 加 快， 谱 线纯 度 得 到 改 善， 发 射波长能 进行人工 调整等。 近期i i i 族氮化物i n g a a s n盘子阱 材料进一步改 善了激光器的性能。 由 此可见， 量子阱结构材料优化了半导体激光器的几乎 所有品质. 接着，1 9 8 6年又提出了应变层量子阱的概念。应变的引入，不 但能改变盆子阱的能带结构， 实现能带裁剪， 满足人们的要求， 而且开拓了 阱、 垒材料的 选择和自 由度， 展现出一系列优异的新功能。 可以 毫不夸张地 说， 量子阱 结构的引 入将半导体激光器推向了 一个新阶段， 而在童子阱材料 中引入应变效应又使其发展迈上了一个新台阶. 9 0 年 代 登台 的 则 是 面 发 射激 光 器 13 3 1 。 在 此 之前， 形形 色 色的 半 导 体 激 光器都是沿着衬底片的平行方向出光， 而面发射激光器却是沿着衬底片的垂 直方向出光， 因此， 特别适合制作光互联， 光计算等面阵光源。 面发射激光 器有三种基本结构，其中最有发展前途的是v c s e l s e 一 一一一一一一-， 、 西南交通大学博士学位论文 1 .3 v c s e l s 的 历史回 顾 1 9 7 7 年日 本东京大学的i g a 教授提出了制造v c s e l s 作为实 现超短腔结 构的动态单模激光器的设 想，1 9 7 9 年第一台v c s e l s 问 世3 4 1 ， 初期的进展 比 较缓 慢3 5 -4 7 1 ， 其激射闭 值曾 长期居高不下， 只能 在7 7 k 液氮 温度下工作， 直到1 9 8 8 年闲值电 流才降 低到i m a以 下， 并实现了室温连续波运行3 3 1 ， 这 时v c s e l s 才引 起人们的 广泛关注。 此后， 器件工艺的不断改进， 量子阱结 构 材 料 生 长 技 术的 引 入以 及 介 质 光 栅反 射 镜技 术的 成 功 4 8 1 ， 导 致了v c s e l s 在波长覆盖范围、 闽 值电 流、 多波长阵列、 以 及功率转换效率等方面的 长足 进步4 9 1 v c s e l s 与普通边发射激光器有很大的不同。 后者的有源区增益长度即 为f - p 谐振腔的长度 ( 1 0 -4 m 量级)， 而v c s e l s 器件，由 于谐振腔垂直于 生长平面， 其有源层的厚度决定了增益区的长度。 因此， 这种器件的单程增 益要小得多， 解决的 途径应该是尽量提高有源材料的增益系数， 这就是 采用 量 子阱 结 构 5 0 1 ， 增 加 腔面 的 反 射系 数 4 7 1 ， 以 便 获得 较大 的 多 程光 增 益， 减 小 腔 长， 降 低 腔内 损 耗 5 1 。 由 于 半 导 体 异 质 结 构b r a g g 反 射 器 的 引 入 4 8 1 人们就能 够把 v c s e l : 器件的 谐振腔长 度做到 1 0 f u n 的 量级， 这 种很 短的 f - p 腔结构使纵模的间距拉开很大， 可以 实现只有一个纵模落在有源层的增 益谱内， 因而v c s e l s 器 件能获得单纵模发射。 应变量子阱结构用于v c s e l s 器件有源层， 使器件特性得到了 进一步优 化 5 2 -5 5 . 1 9 9 1 年后不同 作者所发表的 最新结果如下:闽 值电 流密度低达 6 0 0 刀 。 材， 闽 值电 流 为0 .2 m a ， 腔 面 积 大 约为1 0 0 f u n , ， 单 模 输 出 最 小 线 宽 为8 5 m h z ， 弛 豫 振 荡 频 率 为4 0 g h z 5 6 -5 9 。 如 腔面 积继 续 缩 小， 则闺 值电 流还会进一步降低。 虽然激光科学家往往把阂值电流作为重要的器件参量 ( 越低越好)， 但 应用工程师引用的更关键的参数是电光功率的转换效率和输出光功率。在 西南交通大学博十学位论文 1 9 8 9 年1 9 9 4 年之间， v c s e l s 的阐值电 流和输出 功率都迈上了 一个新的 台阶 1 , 6 0 1 ， 所取得的进展通常为毫安级阑值电流和毫瓦 级输出 功率， 这两个 数据己能满足数字通信应用的要求， 但电光转换效率一直甚低， 约在6 -7 % 这个范围 1 s 1 ， 其主要原因 是反 射镜层的串 联电 阻 很大 和缺少 约束电 流的手 段，以致不能使电流有效地注入激活区。 这种状况一直持续到发展了湿一 热氧化技术并用于制造埋藏氧化物约束 v c s e l s 结 构 为 止 6 1 1 。 湿 一 热 氧化 制 造法 使 激光 器 获 得了 极 高 的 效 率( 5 0 % 一 6 0 %) 和极低的阐值电 流 ( 几十1 0 0 洲 )， 并已 作为目 前v c s e l s 优先选 用的制造技术。 同时， 由 于v c s e l s 具有微腔结构， 从而使现行激光器的动 态 特 性 得 以 改 善 i7, 621 1 .4 v c s e l s 研究现状及应用前景 垂直腔面发射半导体激光器作为当前光电子领域最活跃的研究课题之 一 1 2 1 。 一方面是由 于用分子束外延， 金属有机物化学汽相淀积和化学束外 延等薄 膜生 长的 半导 体微 腔具 有良 好的 结构 可控 性3 0 -3 2 1 ， 另一 方面是半导体 微腔在具有极低阐值的v c s e l s 、 垂直腔发光二极管和它们的二维阵列、压 缩光 子 态 产生 等 方 面 有 着 更为 直 接的 应 用 13 - 1 7 , 6 2 , 6 3 1 . 与 边 发 射 半导 体 激光 器 ( e e l s ) 相比， v c s e l s 具有较小的远场发散角， 发射光束既窄又圆，闽值 电流低， 调制频率高， 阵列可寻址， 在很宽的 温度和电 流范围内都以单纵模 工作 1 - 1 1 。 而且不必解理， 就能完成工艺的制作和检测。 根据d e n n a r d 提出 的器件尺寸按比 例缩小原理， 随着器件尺寸的缩小， 集成密度呈平方关系提 高，速度和功耗大幅度改善。易于实现大规模激光阵列及光电 集成等优点。 在发展极低功耗大规模激光面阵方面， 它如同mo s 晶体管在集成电路中的 贡献那样占有无可替代的地位。因此它在光通信， 光互联， 光信号处理及光 集成元件等方面有着广泛的应用前景。 西南交通大学博士学位论文 随着光互连及二维光信息处理的发展， 对微小尺寸、 极低功耗和高集成 度激光器阵列的需求提上日程。 v c s e l s 的结构决定了它具有高密度、 高传 输率、 高平行光传输和可方便地进行二维空间组合的特点， 因 而是理想的集 成光电子学有源器件和空间光学以及光计算机并行处理的关键器件。 v c s e l s 的高速响 应特别适宜于实现电子计算机中的芯片光互连， 它很容易 对准， 无需借助光纤的祸合， 可以采用自由空间光互连， 因而一些光学的傅 里叶变换技术和全息技术都可以在光互连中采用， 从而满足并行处理的传输 要求。 输速率 在高速长距离数据传输中，直接调制v c s e l s 已 获得波长9 8 0 n m传 i o g b 1 s ， 长 波长1 .5 5 ,u m 传输速率 束结构调制带宽超过1 6 g h z 的结果o 8 l 互连方面己 走向 实用阶段2 3 .2 9 1 2 .5 g b / s ， 传输距离2 0 0 k m , 氧化约 近年来的研究进展相当迅速，在光 1 .5 v c s e l s 的发展趋势 在光纤通信中，随着局域网 ( l a n)带宽的拓宽，千兆比 特以太网 ( g i g a b i t e t h e m e t ) 和其它高 速l a n协议的 需求， 为 满 足 低成本的多 模光 发射器和光纤的要求， v c s e l s 将成为理想器件。 据预测到2 0 0 1 年， 安装 一千万千米的多模光纤，其中 8 0 % 用于数据交换 ( 或l a n)相关的应用， 为多 模光发射器提供了巨 大的 市场。 发射波长为8 5 0 n m的g a a s ( 四 量子阱) 和9 8 0 n m的i n g a a s ( 三量子阱) v c s e l s 是目 前比 较成 功的 器 件。 其中 波 长为 8 5 0 n m 的短波长 v c s e l s已表现出良 好的应用前景。然而在 1 . 3 1 .5 5 ,u m 的波长段，一 度由 于长波长v c s e l s 材料的 折射率差值小， 使单片 半导体d b r的周期数增大，在工艺上制作困难。近期已获得室温下连续工 作 1 0 0 秒 ( m a量级阐值电流，m w量级光输出)的好结果。在 wd m- l a n 系统中， 多波长v c s e l s 阵列和可调谐v c s e l s 的 应用， 被认为是理想的 “ 波 长工程”器件2 9 1 。实现了连续可调范围达到 3 2 n m ( 1 3 t h z )的结果。 西南交通大学博士学位论文 1 4 0 x 1 4 0 单元 微腔v c s e l s 面阵 也已 实 现【 1 8 1 。 此外， 各种波长的v c s e l s . 例如红绿蓝三原色的v c s e l s 列阵一旦成功， 则在彩色印刷和平面显示等方 面的应用就不言而喻了。 v c s e l : 很 容易 实 现高 密 度的 平面 阵 列集 成 6 1 ， 它 在 光 信息 处 理 和光计 算技术的发展中有着特殊的 重要地位。首先用于图 像处理， 模式识别12 2 其次 用 于 光 神 经网 络计 算 技 术， 多 值 逻 辑 等 新 型电 路 2 7 1 。 采用v c s e l s 的 光电子集成器件 ( o e i c )面阵芯片，即一对v c s e l s 和p d探测器构成一 个光电 子神经元， 可以 方 便地在各 神 经元之间 实 现自 由 空间光互 连2 4 , 2 7 另外由于v c s e l s 的竖直谐振腔可以 非常小， 因而有可能做成高速率的光开 关。 控制二维阵列中各 v c s e l s 的位相，